[发明专利]含硫化合物和聚合物及其在电化学电池中的用途

说明书

本技术涉及用于特别是锂电池中的正极材料的有机含硫化合物或聚合物。更具体地，使用该含硫化合物或聚合物作为活性电极材料使得可以将硫与活性有机阴极材料结合。本技术还涉及本文所定义的有机含硫化合物或聚合物作为固体聚合物电解质(SPE)或作为电解质的添加剂的用途，特别是在锂电池中。

相关申请

根据适用的法律，本申请要求于2017年10月2日提交的加拿大专利申请No.2,981,012的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及聚合物和低聚物的领域，其用作正极中的电化学活性材料，用作固体聚合物电解质(SPE)或用作电解质的添加剂，特别是用于锂电池中。

背景技术

全球环保意识影响着众多科学家，以寻找温室气体问题及其对我们星球的影响的答案。知道运输在温室气体排放中起着重要作用，运输的电气化无疑是解决全球变暖问题的一部分。因此，重要的是设计一种新的电池材料，使其更环保，更实惠，更安全，并且提供的性能接近化石燃料(例如自主性和动力性)。

有机阴极是用于生产满足储能需求的电池的主要候选者。这些材料的一个优点是合成温度明显低于插层材料的温度(Armand等人，Nature，2008，451，652)。此外，它们由丰富的元素组成并具有出色的电化学性能(Le Gall等人，Journal of Power Sources，2003，316-320)。另一方面，它们的最大缺点涉及活性材料在电解质中的溶解，这极大地影响了电池的稳定性(Chen等人，ChemSusChem.，2008，1，348-355)。电化学活性有机聚合物可以抑制或减少活性材料的溶解，从而获得具有更大循环性的材料(Zeng等人，ElectrochimicaActa，2014，447-454)。

元素硫也是生产高能量密度电池的候选材料。确实，考虑到该元素提供的优点，锂硫(Li-S)电池非常有前途，即1675mAh/g的高容量和大丰度，后者归因于以下事实：硫是石油精炼厂副产物(Hyun等人，ACS EnergyLetters，2016，1，566-572)。但是，Li-S电池也有一些缺点，包括在循环过程中因硫的还原而产生的聚硫化物(Li₂S_x，x＝4-8)溶解。此外，聚硫化物一旦溶解，就会发生一种称为“穿梭效应”的现象，该现象会使锂表面(阳极)不稳定。该现象导致稳定性降低以及低库仑效率(Zhou等人，J.Am.Chem.Soc.2013，135，16736-16743)。

解决该问题的一种策略涉及硫颗粒的封装。例如，Zhou等(J.Am.Chem.Soc.2013，135，16736-16743)用聚苯胺(PANI)涂覆硫以将聚硫化物固定在该壳内。硫的包封可以提高电池的稳定性。然而，该元素的添加将活性材料中的硫的量限制为仅58重量％，这意味着42重量％的材料由电化学惰性材料组成，从而降低了电极材料的电荷密度。尽管此策略仍然可以使库伦效率达到97％以上，但长期可循环性仍然有限。

还提出了碳硫复合材料的合成方法。例如，Wang等人(Journal of PowerSources，2011，7030–7034)已经合成了石墨烯-硫复合物。这种新材料不仅可以提高固有电导率，而且还可以实现几乎等于理论值的初始容量。然而，石墨烯的存在不能抑制聚硫化物溶解的现象，该材料的容量损失与硫本身的容量损失相当。

为了获得富含硫的聚合物，还探索了元素硫与一种或多种有机单体的共聚。当硫被加热到159℃以上时，发生(S₈)环的开环，从而产生可以进行自由基聚合的双自由基。Chung等人(Nature Chemistry，2013，5，518-524)已开发出一种用于Li-S电池的富硫共聚物。通过逆硫化将元素硫与不同百分比的1,3-二异丙烯基苯(DIB)共聚。共聚可以产生可限制聚硫化物溶解的基质。它们的电化学结果显示出很高的库仑效率以及良好的容量保留率。但是，如上所述，所使用的有机单体是电化学非活性的，这导致存在惰性物质并因此降低了能量密度。